EP1424910B1 - Elektroporationsreaktor zur kontinuierlichen prozessierung von stückigen produkten - Google Patents

Elektroporationsreaktor zur kontinuierlichen prozessierung von stückigen produkten Download PDF

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EP1424910B1
EP1424910B1 EP02767433A EP02767433A EP1424910B1 EP 1424910 B1 EP1424910 B1 EP 1424910B1 EP 02767433 A EP02767433 A EP 02767433A EP 02767433 A EP02767433 A EP 02767433A EP 1424910 B1 EP1424910 B1 EP 1424910B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drum
electroporation
reactor
zone
process fluid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP02767433A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1424910A1 (de
Inventor
Christoph Schultheiss
Martin Kern
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kea-Tec GmbH
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Original Assignee
Kea-Tec GmbH
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Publication date
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Publication of EP1424910B1 publication Critical patent/EP1424910B1/de
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23N—MACHINES OR APPARATUS FOR TREATING HARVESTED FRUIT, VEGETABLES OR FLOWER BULBS IN BULK, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; PEELING VEGETABLES OR FRUIT IN BULK; APPARATUS FOR PREPARING ANIMAL FEEDING- STUFFS
    • A23N1/00—Machines or apparatus for extracting juice
    • A23N1/006—Machines or apparatus for extracting juice by electroplasmolysis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23C—DAIRY PRODUCTS, e.g. MILK, BUTTER OR CHEESE; MILK OR CHEESE SUBSTITUTES; MAKING THEREOF
    • A23C3/00—Preservation of milk or milk preparations
    • A23C3/07—Preservation of milk or milk preparations by irradiation, e.g. by microwaves ; by sonic or ultrasonic waves
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M35/00—Means for application of stress for stimulating the growth of microorganisms or the generation of fermentation or metabolic products; Means for electroporation or cell fusion
    • C12M35/02—Electrical or electromagnetic means, e.g. for electroporation or for cell fusion

Definitions

  • the invention relates to an electroporation reactor for large-scale continuous processing of lumpy products, the process material, in particular agricultural products, such as sugar beets, potatoes, vegetables, fruits, medicinal plants and animal products, in a process fluid with high voltage pulses.
  • the agricultural products are present as in the harvest resulting whole elements as a slimming fraction or pre-shredded.
  • electroporation The process of digesting the cell material with pulsed electric fields (high voltage discharges) is called electroporation or electroplasmolysis.
  • the process of electroporation is used to recover intracellular substances.
  • the valuable substances are usually pressed or recovered via extraction processes.
  • Treatment with pulsed electric fields takes place in a process fluid, which is usually water with low conductivity.
  • Known devices can be used for pumpable foods and suspensions.
  • the industrial processing to processed process good as agricultural cargo with high voltage pulses requires compared to the previously known devices for electroporation a high continuous mass throughput with the most uniform possible action of a pulsed electric field.
  • the task has led to the invention, namely to provide a system that allows, at relatively low flow cross sections high mass flows, z. B 600 Mg / h continuously to promote by a periodically or at predetermined intervals pulsed electric field.
  • suitable pulse generating means e.g. a capacitor bank with a controlled or self-powered switch, a Marx generator, it is possible to carry out a non-thermal cell disruption by irreversible perforation of the cell membrane of vegetative cells, with low specific energy requirements on an industrial scale.
  • the object is achieved by an electroporation reactor, according to the features of claim 1.
  • the electroporation reactor consists of a circular-cylindrical metallic drum 7 with a dielectric coating or a dielectric material which can rotate around its horizontal cylinder axis / rotation axis at 0.5 to 4 revolutions per minute. It has dog 5 on the outer jacket wall of the drum 7, which are evenly distributed around the circumference.
  • the electroporation reactor has a housing 11 made of dielectric material which, with its reactor wall 12, surrounds the drum 7 with its entrainment means 5 in a contactless but equidistant manner with the exception of an open region lying above the axis of rotation 3.
  • the drivers sit parallel to the axis of rotation of the drum and are aligned radially outward.
  • a double-walled chamber made of dielectric material surrounds with its inner wall the drum with its drivers except for a lying above the rotation axis open area contactless and equidistant.
  • the reactor has a process material feeding device 13, at the lower region of which a feed screen 6 is attached, which is attached to the feed zone a of the electroporation reactor and through which the drivers 5 of the drum 7 pass.
  • the Jerusalem scholaraufgabevoriques opens into the open area of the chamber and docks with its overhead region of its mouth on the inner wall of the chamber at the top of the exposed area. At the bottom of the mouth of a feeder rake is built, through which the drivers of the drum run.
  • a discharge chute attaches to the underlying open area of the chamber on the inner wall of the electroporation reactor.
  • a degassing zone b and a reaction zone c exist in the gap between the drum 7 and the reactor wall 12 of the housing 11 and a discharge zone d, which are traversed by the driving fingers 5.
  • Each electrode group 1 is connected via a suitable high-voltage, controlled or operated in self-breakdown, fast switch to an external electrical energy storage, which can be placed sufficiently fast for the purpose of the electrode group, only connected to this electrode group.
  • the gap region there is a process liquid filling with a level below the rotation axis 3 and above the highest electrode group. There is also a depth of the immersion region of the process material in the process liquid, the degassing zone b, over at least one gap width for safe venting of the mixture of process material and process fluid.
  • Electroporation reactor According to claim 2, the drivers 5 mounted on the drum 7 have a dielectric coating or are made of a dielectric material, they are resistant to bending and abrasion on their exposed surface and inert to the process environment. The attached to the drum rigid carrier 5 are resiliently mounted. Finally, according to claim 4, the electroporation reactor is electromagnetically sealed by a metallic coating towards the outside.
  • each electrode group is connected via its own switch to its own electrical energy storage.
  • Such an energy store is usually a fast dischargeable capacitor bank in order to always provide the electric field or voltage increase in the reaction areas sufficiently quickly.
  • Marx generators are well suited for this purpose.
  • the level of the process liquid is always between the axis of rotation of the drum and the highest-sitting pulse electrodes or electrode groups.
  • the immersion area in the process fluid is kept free of electrodes for safe venting and thus freedom from air bubbles in the mixture of process material and process fluid.
  • the entire system is electromagnetically shielded from the environment so as not to interfere with equipment located outside of equipment and facilities.
  • the drivers 5 strip the beets from the feed rack 6 and pull them into the conveying gap between the drum 7 and the outer boundary 12 of the reaction chamber.
  • the beets which are still dry at first, enter the process liquid reservoir, here water, the electroporation reactor after about a 1 ⁇ 4 turn of the drum 7.
  • the immersion area forms the degassing zone b.
  • appropriate measures such as water injection, vibration or otherwise suitable measures, adhering air bubbles and air bubbles at all removed. This is important because the shock waves produced by the high voltage on gas bubbles, which affect the reactor gradually, ie longer or long term in its function, even destroy it.
  • the pulse voltage here up to several 100 kV, is coupled via the metallic electrodes 1 into the water.
  • the electrodes 1 which can be subjected to high voltage are installed here in the high-voltage-insulating wall of the chamber 12 without elevation to the drum (see FIGS. 1, 2 and 3).
  • the counterelectrodes 2 or the reference or ground potential required for the high-voltage discharge are produced in the lateral surface of the drum 7 by the bare metal exposed in the gap (see the development in FIG. 3). Due to the angular offset of the individual pulse electrodes, the electric field also experiences different orientations.
  • the carriers lift the processed beets from the water bath, they are then stripped off via the discharge rake 14 from the delivery chamber.
  • the beet material can drain off and is fed via the Austragsschurre 15 for further processing.
  • Carrier 5 reactor housing 11 in the region of the reaction chamber, dielectric insulation layer of the drum 7 and high voltage insulation of the pulse electrodes 12 are made of electrically insulating material such as natural polyethylene, polyethylene black, polypropylene gray, polyurethane PU, reinforced or glass fiber reinforced materials, or by this electrically isolated.
  • the shape and surface of the driver 5 is optimized so that the required mechanical stability is present and high-voltage sliding discharges are prevented. To suppress electromagnetic radiation into the environment, the system is sufficient, for example, metal shielded.
  • the axis of rotation / shaft 3 of the drum located above the liquid level avoids not easily controlled sealing and thus electrical insulation problems.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Elektroporationsreaktor zur großtechnischen kontinuierlichen Prozessierung von stückigen Produkten, dem Prozessgut, insbesondere Agrarprodukten, wie Zuckerrüben, Kartoffel, Gemüse, Obst, Heilpflanzen und auch tierischen Produkten, in einer Prozessflüssigkeit mit Hochspannungsimpulsen. Die Agrarprodukte liegen in wie bei der Ernte anfallenden ganzen Elementen als absiebbare Fraktion oder vorzerkleinert vor.
  • Das Verfahren zum Aufschluss des Zellmaterials mit gepulsten elektrischen Feldern (Hochspannungsentladungen) wird als Elektroporation bzw. Elektroplasmolyse bezeichnet.
  • Aus der Literatur sind Vorrichtungen bekannt, die zur Behandlung von Pflanzenzellen bzw. pumpbaren Lebensmitteln eingesetzt werden. Beispielsweise die folgenden:
    • US 3,766,050 "Apparatus for the treatment of fluids or solutions by electric fields"; 1973-10-16. In ihr werden Reaktorbauformen mit unterschiedlich angeordneten Elektroden und dimensionierten Strömungskanälen beschrieben. Die Reaktoren sind ausschließlich für kleine Mengen und kleine Partikelgrößen einsetzbar.
  • US 4,723,483 "Electroplasmolyzer for processing vegetable stock"; 1988-02-09 bzw. FR 2 619 489 "Electroplasmolyzer for processing vegetable materials"; 1989-02-24. In diesen Literaturstellen wird ein runder bzw. rechteckiger Reaktorquerschnitt beschrieben, in dem Elektrodenpaare in unterschiedlichen Anordnungen installiert sind. Das Produkt wird durch Schwerkraft oder Pumpendruck durch den Reaktor gefördert.
  • US 5,031,521 "Electroplasmolyser for processing plant raw material"; 1991-07-16. Darin wird eine ähnliche Reaktorgeometrien wie US 4,723,483 beschrieben, die elektrische Energie wird jedoch durch Elektromagneten appliziert.
  • US 5,186,800 "Electroporation of prokaryotic cells"; 1993-02-16. Hier werden kleinste Laborreaktoren beschrieben, in denen kleine Produkt mengenweise mit Spannungsimpulsen behandelt werden. Die Reaktoren weisen keine bewegten Teile auf.
    US 5,549,041 "Batch mode food treatment using pulsed electric fields"; 1996-08-27 Diese Schrift beschreibt kleine Reaktoren mit flächigen Elektroden zwischen denen zu behandelnde Suspensionen gepumpt werden.
  • Schließlich beschreibt die US 4,787,303 einen Elecktroportionsrechter, bei dem das Behandlungsgert kontinuierlich mittels eines Rotors durch dem Behandlungsraum gefördert wird.
  • Das Verfahren der Elektroporation wird zur Gewinnung von intrazellulären Substanzen eingesetzt. Dabei werden die wertbringenden Stoffe meist abgepresst bzw. über Extraktionsvorgänge gewonnen. Die Behandlung mit gepulsten elektrischen Feldern erfolgt in einer Prozessflüssigkeit, die zumeist Wasser mit geringer Leitfähigkeit ist.
  • Bekannte Vorrichtungen (Reaktoren) sind für pumpbare Lebensmittel und Suspensionen einsetzbar.
  • Sollen nun auch stückige Produkte mit 20 - 30 Sortenelementen, Stückgewichte 1 - 5 kg behandelt werden, ist eine Produktförderung durch bekannte Reaktoren nicht mehr möglich.
  • Die industrielle Prozessierung zu verarbeitenden Prozessgutes wie agrarisches Stückgut mit Hochspannungsimpulsen erfordert gegenüber den bisher bekannten Vorrichtungen zur Elektroporation einen hohen kontinuierlichen Massedurchsatz bei einer möglichst gleichmäßigen Einwirkung eines gepulsten elektrischen Feldes.
  • Die dabei auftretenden Schwierigkeiten sowie die Nachteile des Stands der Technik sind folgende:
    • Produktdurchsatz
      Bei den in der Vorrichtung zu behandelnden Agrarprodukte sind oftmals hohe Stundendurchsätze erforderlich (z.B.: Zuckerindustrie 600 Mg Rüben/ h). Die Vorrichtung muss hohe Durchsätze bei geringster Produktschädigung ermöglichen.
    • Produkttransport
      Zwischen dem zu behandelnden Produkt und der zur Pulsbehandlung erforderlichen Flüssigkeit besteht nur ein geringer Dichteunterschied. Dies führt dazu, dass aufgrund der geringen Sinkgeschwindigkeit bei selbstständigem Nachrutschen des Produkts keine ausreichend großen Produktdurchsätze möglich sind.
    • Verstopfungsproblematik
      Aufgrund der unterschiedlichen geometrischen Formen der zu behandelnden Agrarprodukte ist ein erhöhte Anfälligkeit für Verstopfungen und Brückenbildung gegeben.
    • Reaktorgeometrie, Verstopfung
      Aufgrund der zur Begrenzung des Energiebedarfs erforderlichen hohen Feldstärken (Elektrobepulsung) sind auch bei hohen Pulsspannungen keine sehr großen Reaktordurchmesser realisierbar. Kleine Reaktordurchmesser weisen eine hohe Verstopfungsneigung auf.
    • Produktverlust
      Zur Vermeidung von Produktverlusten (Vorextraktion) und zur Begrenzung der in der Betriebsflüssigkeit akkumulierenden Elektrolyten ist die Behandlung unversehrter Produkte (ganze Rüben, Äpfel, Tomaten, Gurken u.s.w.) sinnvoll jedoch nicht zwingend erforderlich.
    • Produktbehandlung
      Insbesondere bei Obst wird ein Aufschwimmen des Produkts beobachtet. Damit kann keine ausreichende Behandlung mit Spannungsimpulsen erreicht werden.
    • Wirkung des elektrischen Feldes
      Zur Optimierung des erforderlichen Energieeintrags ist es erforderlich, dass das Produkt gegenüber dem gepulsten elektrischen Feld eine Relativbewegung ausführt. Es ist also eine kontinuierliche Förderung erforderlich.
  • Daraus stellte sich die Aufgabe die zu der Erfindung führte, nämlich eine Anlage bereitzustellen, die es ermöglicht, bei relativ geringen Förderquerschnitten hohe Masseströme, z. B 600 Mg/h, kontinuierlich durch ein periodisch oder in vorgegebenen Zeitabständen gepulstes elektrisches Feld zu fördern. In Kombination mit geeigneten Impulserzeugungseinrichtungen, z.B. einer Kondensatorbank mit einem gesteuerten oder im Selbstdurchbruch betriebenen Schalter, einem Marxgenerator, ist es möglich, einen nichtthermischen Zellaufschluss, durch irreversible Perforation der Zellmembrane von vegetativen Zellen, bei geringem spezifischem Energiebedarf großtechnisch durchzuführen.
  • Die Lösung der Aufgabe wird durch einen Elektroporationsreaktor, gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
    Der Elektroporationsreaktor besteht aus einer kreiszylindrischen metallischen Trommel 7 mit dielektrischem Überzug oder einer solchen ganz aus dielektrischem Material, die um ihre horizontal liegende zylinderachse/ Rotationsachse mit 0,5 bis 4 Umdrehungen pro min umlaufen kann. Sie hat Mitnehmer 5 auf der äußeren Mantelwand der Trommel 7, die darauf gleichverteilt um den Umfang angebracht sind.
  • Der Elektroporationsreaktor hat ein Gehäuse 11 aus dielektrischem Material, das mit seiner Reaktorwand 12 die Trommel 7 mit ihren Mitnehmern 5 bis auf einen oberhalb der Rotationsachse 3 liegenden offenen Bereich berührungslos aber äquidistant umgibt. Die Mitnehmer sitzen parallel zur Rotationsachse der Trommel und sind radial nach außen ausgerichtet. Eine doppelwandige Kammer aus dielektrischem Material, umgibt mit ihrer Innenwand die Trommel mit ihren Mitnehmern bis auf einen oberhalb der Drehachse liegenden offenen Bereich berührungslos und äquidistant. Der Reaktor hat eine Prozessgut-Aufgabevorrichtung 13, an deren unteren Bereich ein Zuführrechen 6 angebaut ist, der an der Zuführzone a des Elektroporationsreaktors angebracht ist und durch den die Mitnehmer 5 der Trommel 7 laufen. Die Prozessgutaufgabevorrichtung mündet in den offenen Bereich der Kammer und dockt mit ihrem oben liegenden Bereich ihrer Mündung an der Innenwand der Kammer am oberen Rand des offen liegenden Bereichs an. Am unten liegenden Bereich der Mündung ist ein Zuführrechen angebaut, durch den die Mitnehmer der Trommel laufen. Eine Austragungsschurre setzt am untenliegenden offenen Bereich der Kammer an der Innenwand des Elektroporationsreaktors an. Ein Austragsrechen, durch den die Mitnehmer der Trommel nach dem Auftauchen aus der Prozessflüssigkeit ebenfalls laufen, sammelt das heran geförderte, inzwischen elektrisch prozessierte Prozessgut auf und lenkt es auf die Austragsschurre zum Weitertransport.
  • Eine Entgasungszone b und eine Reaktionszone c bestehen im Spalt zwischen der Trommel 7 und der Reaktorwand 12 des Gehäuses 11 sowie eine Austragszone d, die von den Mitnahmefinger 5 durchlaufen werden.
  • Im tiefstliegenden Bereich der Reaktorwand 12 sitzt mindestens eine zur Trommel 7 hin blank liegenden Elektrodengruppe 1 aus mindestens einer Elektrode 1, die sich höchstens über die Länge des Trommelmantels erstreckt und stets vollständig von der Prozessflüssigkeit benetzt ist. Jede Elektrodengruppe 1 ist über einen hochspannungsgeeigneten, gesteuerten oder im Selbstdurchbruch betriebenen, schnellen Schalter an einen externen elektrischen Energiespeicher, der für den Zweck hinreichend schnell an die Elektrodengruppe gelegt werden kann, nur an diese Elektrodengruppe angeschlossen.
  • Es bestehen Gruppen von Öffnungen 2 zum Spalt hin im dielektrischen Überzug auf der metallischen Trommel 7 oder Gruppen von zum Spalt hin blank liegenden geerdeten Elektroden darauf oder auf der Trommel 7 aus dielektrischem Material. Die blank liegenden Elektrodenflächen sind auf der Trommel 7 über die Trommelachse 3 geerdet, um im Spaltbereich der mit Hochspannung zu beaufschlagenden Elektrodengruppe innerhalb von höchstens 3 µsec eine elektrische Feldstärke von 10 kV/cm aufbauen zu können, damit das mitgenommene, sich in der Prozessflüssigkeit befindliche Prozessgut an seinen biologischen Zellen entlang deren jeweiliger Hauptachse z, längere Achse einer biologischen Zelle, mindestens einmal beim Durchgang die Schwellenpotentialdifferenz Δϕ = z * E = 10 V für irreversible Elektroporation erreicht.
  • Im Spaltbereich besteht eine Prozess-Flüssigkeitsfüllung mit einem Pegel unterhalb der Drehachse 3 und oberhalb der höchstliegenden Elektrodengruppe. Es besteht weiter eine Tiefe des Eintauchbereiches des Prozessgutes in die Prozessflüssigkeit, die Entgasungszone b, über mindestens eine Spaltbreite zur sichern Entlüftung des Gemisches aus Prozessgut und Prozessflüssigkeit.
  • In den Unteransprüchen sind weitere Eigenschaften beschrieben, die Vorteile für den zu betreibenden Elektroporationsreaktor sind: Nach Anspruch 2 haben die an der Trommel 7 angebrachten Mitnehmer 5 einen dielektrischen Überzug oder sind aus einem dielektrischen Material, sie sind biegesteif und an ihrer exponierten Oberfläche abriebfest und inert gegen die Prozessumgebung. Die an der Trommel angebrachten biegesteifen Mitnehmer 5 sind elastisch gelagert. Nach Anspruch 4 schließlich ist der Elektroporationsreaktor durch eine metallische Umhüllung nach außen hin elektromagnetisch dicht.
  • Innerhalb vorgebbarer Zeitabstände wird jeweils ein hohes elektrisches Potential an diese Elektrodengruppe gelegt, wodurch sich zu der auf der Trommel montierten Potentialelektroden hin, die über die Trommelachse geerdet ist, ein möglichst homogenes elektrisches Feld ausbildet, das stets so stark ist, dass das mitgenommene, sich in der Prozessflüssigkeit befindliche Prozessgut elektroporiert wird.
  • Bei der betriebsbereiten Anlage ist die zum Mantel der Trommel hin exponierte Fläche jeder Elektrodengruppe stets vollständig von der Prozessflüssigkeit benetzt. Auch ist jede Elektrodengruppe über einen eigenen Schalter an einen eigenen elektrischen Energiespeicher angeschlossen. Ein solcher Energiespeicher ist meist eine schnell entladbare Kondensatorbank, um den elektrischen Feld- bzw. Spannungsanstieg in den Reaktionsbereichen stets hinreichend schnell zu schaffen. Hierfür sind etwa Marxgeneratoren gut geeignet.
  • Weitere Merkmale, die einerseits zweckmäßig sind und andrerseits einen Betrieb mit gutem konstanten Langzeitverhalten ermöglichen, sind:
    • So ist es erforderlich, das Prozessgut mit geringer Rotationsgeschwindigkeit zwangsweise zu fördern und im Eintauchbereich (Entgasungszone) zu entlüften. Im Bereich der Hochspannungsbehandlung (Reaktionszone) erfährt das während der Bepulsung aufgebaute elektrische Feld durch die Relativbewegung der Elektroden unterschiedliche Ausrichtungen, was zu einer deutlichen Verbesserung des Behandlungserfolgs führt.
  • Während des Betriebs steht der Pegel der Prozessflüssigkeit stets zwischen der Rotationsachse der Trommel und den am höchsten sitzenden Pulselektroden bzw. Elektrodengruppen. Der Eintauchbereich in die Prozessflüssigkeit ist zur sicheren Entlüftung und damit Befreiung von Luftblasen des Gemisches aus Prozessgut und Prozessflüssigkeit elektrodenfrei gehalten.
  • Die gesamte Anlage ist gegenüber der Umgebung elektromagnetisch abgeschirmt, um Störungen an Gerät außerhalb liegenden Geräten und Einrichtungen nicht eintreten zu lassen.
  • Die Erfindung wird in ihrer Funktion und ihrem Aufbau im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Die Zeichnung besteht aus den Figuren 1 bis3. Sie zeigen im einzelnen:
    • Figur 1 Schnitt Seitenansicht des Elektroporationsreaktors
    • Figur 2 Axialer Schnitt durch den Elektroporationsreaktor.
    • Figur 3 Abwicklung der Mantelflächen des Reaktionsraums mit Elektrodenanordnung.
  • Die folgende Beschreibung erfolgt am Beispiel der Behandlung von Rüben:
    • Die zuvor gewaschenen Rüben gelangen über die Produktaufgabevorrichtung 13 und den Zuführrechen 6 in die Zuführzone a des Elektroporationsreaktors und kommen in der Förderkammer zum Liegen. Die Förderkammer oder der Spalt mit Reaktionszone wird durch die Trommel 7 mit hier einem dielektrischem Überzug und die äußere Begrenzung der Reaktionskammer 12 gebildet.
  • Durch das Drehen der Trommel über die Antriebseinheit 4 streifen die Mitnehmer 5 die Rüben vom Zuführrechen 6 ab und ziehen diese in den Förderspalt zwischen Trommel 7 und äußerer Begrenzung 12 der Reaktionskammer. Die zunächst noch trocken geförderten Rüben gelangen nach ca. einer ¼ Umdrehung der Trommel 7 in die Prozessflüssigkeitsvorlage, hier Wasser, des Elektroporationsreaktors. Den Eintauchbereich bildet die Entgasungszone b. Hier wird durch geeignete Maßnahmen wie Wassereindüsung, Vibration oder sonst dafür geeignete Maßnahmen, anhaftende Luftblasen und Luftblasen überhaupt, entfernt. Dies ist wichtig, da die beim Durchschlagen der Hochspannung an Gasblasen Schockwellen entstehen, die den Reaktor allmählich, also länger- oder langzeitlich in seiner Funktion beeinträchtigen, ihn sogar zerstören.
  • Nach dem Eintauchen in die Wasservorlage und der Entgasung werden die Rüben sukzessive in die Reaktionszonen c gefördert. Das sind gemäß Figur 1 zwei, kann auch nur eine sein, können aber auch mehr als zwei sein. Die Pulsspannung, hier bis zu einigen 100 kV, wird über die metallischen Elektroden 1 in das Wasser eingekoppelt. Die mit Hochspannung beaufschlagbaren Elektroden 1 sind hier in der hochspannungsisolierenden Wand der Kammer 12 ohne Überhöhung zur Trommel hin eingebaut (siehe Figuren 1, 2 und 3). Die für die Hochspannungsentladung erforderlichen Gegenelektroden 2 bzw. das Bezugs- oder Erdpotential sind in der Mantelfläche der Trommel 7 durch das in den Spalt exponierte blanke Metall hergestellt (siehe die Abwicklung in Figur 3). Durch den Winkelversatz der einzelnen Pulselektroden erfährt das elektrische Feld ebenfalls unterschiedliche Ausrichtungen.
  • Nach dem Weiterdrehen der Förderkammern heben die Mitnehmer die prozessierten Rüben aus dem Wasserbad, sie werden dann über den Austragsrechen 14 aus der Förderkammer abgestreift. Hierbei kann das Rübenmaterial abtropfen und wird über die Austragsschurre 15 der weiteren Verarbeitung zugeführt.
  • Mitnehmer 5, Reaktorgehäuse 11 im Bereich der Reaktionskammer, dielektrische Isolationsschicht der Trommel 7 sowie Hochspannungsisolation der Pulselektroden 12 sind aus elektrisch isolierendem Werkstoff wie Polyethylen natur, Polyethylen schwarz, Polypropylen grau, Polyurethan PU, verstärktes bzw. glasfaserverstärktem Werkstoffen hergestellt, bzw. durch dieses elektrisch isoliert.
    Form und Oberfläche der Mitnehmer 5 ist so optimiert, dass die erforderliche mechanische Stabilität vorhanden ist und Hochspannungsgleitentladungen verhindert werden.
    Zur Unterdrückung von elektromagnetischer Strahlung in die Umgebung ist die Anlage ausreichend, z.B. metallisch geschirmt.
  • Die oberhalb des Flüssigkeitsspiegels liegende Drehachse/Welle 3 der Trommel vermeidet nicht einfach zu beherrschende Abdicht- und damit elektrische Isolationsprobleme.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Elektrode, Elektrodengruppe
    2
    Bezugspotential- bzw. Erdpotentialelektrode
    3
    Rotationsachse, Welle
    4
    Antriebseinheit, Motor
    5
    Mitnehmer
    6
    Zuführrechen
    7
    Trommel
    8
    Potentialabgriff
    9a
    Potentialanschluss Impulserzeugung
    9b
    Pulsanschluss Impulserzeugung
    10
    Hochspannungsdurchführung
    11
    Reaktorgehäuse
    12
    Reaktionskammer
    13
    Produktaufgabevorrichtung
    14
    Austragsrechen
    15
    Austragsschurre
    a
    Zuführzone
    b
    Entgasungszone
    b1
    Füllstand Prozessflüssigkeit Ablauf
    c
    Reaktionszone, wirksamer Bereich kritische elektrisches Feld
    d1
    Füllstand Prozessflüssigkeit Zulauf
    d
    Austragszone

Claims (4)

  1. Elektroporationsreaktor zur kontinuierlichen Prozessierung von stückigen Produkten, dem Prozessgut, wie Agrarprodukten, wie Zuckerrüben, Kartoffel, Gemüse, Obst, Heilpflanzen und auch tierische Produkte, in einer Prozessflüssigkeit mit Hochspannungsimpulsen
    bestehend aus:
    einer kreiszylindrischen metallischen Trommel (7) mit dielektrischem Überzug oder ganz aus dielektrischem Material, die um ihre horizontal liegende Zylinderachse/ Rotationsachse mit 0,5 bis 4 Umdrehungen pro min umlaufen kann,
    Mitnehmern (5) auf der äußeren Mantelwand der Trommel (7), die darauf gleich verteilt um den Umfang angebracht sind,
    einem Gehäuse (11) aus dielektrischem Material, das mit seiner Reaktorwand (12) die Trommel (7) mit ihren Mitnehmern (5) bis auf einen oberhalb der Rotationsachse (3) liegenden offenen Bereich berührungslos aber äquidistant umgibt,
    einer Prozessgut-Aufgabevorrichtung (13), an deren unterem Bereich ein Zuführrechen (6) angebaut ist, der an der Zuführzone (a) des Elektroporationsreaktors angebracht ist und durch den die Mitnehmer (5) der Trommel (7) laufen,
    einer Entgasungszone (b), einer Reaktionszone (c) im Spalt zwischen der Trommel (7) und der Reaktorwand (12) des Gehäuses (11) sowie einer Austragszone (d), die von den Mitnahmefingern (5) durchlaufen werden,
    einem Austragsrechen (14), durch den die Mitnehmer (5) der Trommel (7) laufen, um das herangebrachte, inzwischen prozessierte Prozessgut aufzusammeln und auf einer an der Austragszone (d) ansetzenden Austragsschurre (15) zu lenken, mindestens einer zur Trommel (7) hin blank liegenden Elektrodengruppe (1) aus mindestens einer Elektrode (1) im tiefstliegenden Bereich der Reaktorwand (12), die sich höchstens über die Länge des Trommelmantels erstreckt und stets vollständig von der Prozessflüssigkeit benetzt ist und jede Elektrodengruppe über einen eigenen Schalter an einen eigenen elektrischen Energiespeicher angeschlossen ist, und
    Gruppen von Öffnungen (2) im dielektrischen Überzug auf der metallischen Trommel (7) zum Spalt hin oder
    Gruppen von zum Spalt hin blank liegenden geerdeten Elektroden darauf oder
    auf der Trommel (7) aus dielektrischem Material,
    wobei die blank liegenden Elektrodenflächen auf der Trommel (7) über die Trommelachse (3) geerdet sind,
    um im Spaltbereich der mit Hochspannung zu beaufschlagenden Elektrodengruppe innerhalb von höchstens 3 µsec eine elektrische Feldstärke von 10 kV/cm einrichten zu können, damit das mitgenommene, sich in der Prozessflüssigkeit befindliche Prozessgut an seinen biologischen Zellen entlang deren jeweiliger Hauptachse z, längere Achse einer biologischen Zelle, mindestens einmal beim Durchgang die Schwellenpotentialdifferenz Δϕ = z * E = 10 ⁢ V
    Figure imgb0001
    für irreversible Poration der Zellwand, die Elektroporation, erreicht,
    einer Prozess-Flüssigkeitsfüllung im Spalt mit einem Pegel unterhalb der Drehachse (3) und oberhalb der höchstliegenden Elektrodengruppe
    einer Tiefe des Eintauchbereiches des Prozessgutes in die Prozessflüssigkeit, die Entgasungszone (b), über mindestens eine Spaltbreite zur sichern Entlüftung des Gemisches aus Prozessgut und Prozessflüssigkeit.
  2. Elektroporationsreaktor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass,
    die an der Trommel (7) angebrachten Mitnehmer (5) einen di elektrischen Überzug haben oder aus einem dielektrischen Material sind,
    biegesteif und an ihrer exponierten Oberfläche abriebfest und inert gegen die Prozessumgebung sind.
  3. Elektroporationsreaktor nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass,
    die an der Trommel angebrachten biegesteifen Mitnehmer (5) elastisch gelagert sind.
  4. Elektroporationsreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass,
    die Anlage durch eine metallische Umhüllung nach außen hin elektromagnetisch dicht ist.
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